Core Java筆記 7.泛型(I) - 概念，語法與原理

本文主要介紹 Java 泛型的概念和定義，以及 Java 泛型機制的實現原理。使用泛型程式設計，可以避免隨處可見的 Object 以及強制轉換，提高了代碼的安全性和可讀性。類型參數(type parameters): Java 和C++一樣，通過引入類型參數進行泛型編程。泛型類(generic

本章重點：

為何要使用泛型

定義泛型類

定義泛型方法

原理：Java 泛型代碼機制

泛型與多態的衝突與解決

本文主要介紹 Java 泛型的概念和定義，以及 Java 泛型機制的實現原理。

為何要使用泛型

使用泛型程式設計，可以避免隨處可見的 Object 以及強制轉換，提高了代碼的安全性和可讀性。

定義泛型類

類型參數(type parameters): Java 和C++一樣，通過引入類型參數進行泛型編程。

泛型類(generic class): 指含有一個或者多個類型參數的類。

e.g.

package corejava.generic;

/**
 * Created by guolong.fan on 15/5/4.
 */
 class Pair<T> {

    public Pair() { first = null; second = null;}

    public Pair(T first, T second) {
        this.first = first;
        this.second = second;
    }

    public T getFirst() { return first; }
    public T getSecond() { return second; }

    public void setFirst(T newValue) { first = newValue; }
    public void setSecond(T newValue) { second = newValue; }

    private T first;
    private T second;
}

public class PairTest {
    public static void main(String[] args) {
        String[] words = { "Mary", "had", "a", "little", "lamb" };
        
        Pair<String> mm = minmax(words);
        System.out.println("min = " + mm.getFirst());
        System.out.println("max = " + mm.getSecond());
    }

    // 後面會引入 泛型方法 寫更加通用的方法
    public static Pair<String> minmax(String[] a) {
        if (a == null || a.length == 0) return null;

        String min = a[0];
        String max = a[0];
        for (String ele : a) {
            if (min.compareTo(ele) > 0) min = ele;
            if (max.compareTo(ele) < 0) max = ele;
        }

        return new Pair<String>(min, max);
    }
}

定義泛型方法

可以在普通類中定義泛型方法。

概念： 類型推斷，類型限定，多類型限定。

e.g.

package corejava.generic;

/**
 * Created by guolong.fan on 15/5/4.
 */
class ArrayAlg {

    // 概念1: 最簡單的泛型方法(無類型限定)
    public static <T> T getMiddle(T[] a) {
        return a[a.length/2];
    }

    // 概念2. 類型限定：<T extends Comparable>

    public static <T extends Comparable> T min(T[] a) {
        if (a == null || a.length == 0) return null;
        T min = a[0];
        for (T ele : a) {
            if (min.compareTo(ele) > 0) min = ele;
        }

        return min;
    }

    // 概念3. 多類型限定： <T extends Comparable & Serializable>
    
    // 概念4. Comparable 本身是泛型，下一講會介紹完整的限定寫法.
}

public class ArrayAlgTest {

    public static void main(String[] args) {

        String[] names = { "John", "Q.", "Public" };

        // 概念4. 類型推斷
        String middle = ArrayAlg.<String>getMiddle(names);
        // 簡化寫法. 編譯器會做類型推斷.
        // String middle = ArrayAlg.getMiddle(names);    
        
        // 概念5. 基本類型無法用於泛型(見後面詳解)
        // int midVal = ArrayAlg.getMiddle(new double[] {120.2, 14, 34}); // Compile ERROR!!!
    }
}

原理：Java 泛型代碼機制

泛型類可以看成普通類的工廠! JVM 沒有泛型類型對象 —— 所有對象都是普通類對象。泛型是編譯器行為. 這是 Java 和C++泛型的本質區別，也是 Java 泛型表達能力弱的根源.

編譯器如何編譯 Java 泛型代碼

過程：

擦除(Erase): 泛型類和泛型方法無論何時定義泛型類型，都會自動提供一個對應的原始類型(raw type). 例如: Pair 的原始類型就是 Pair。
使用端(具體的泛型類)：泛型代碼塊翻譯

1. erase

泛型類和泛型方法的擦除策略： 分為兩種情況：有限定和無限定(即預設 Object 限定). 無限定採用 Object 進行擦除(這是 Java 泛型不支持基本類型的原因)，
限定採用第一個限定(即extends 後面的第一個介面/類)擦除.

Pair 會被擦除為：

class Pair {

    public Pair() { first = null; second = null;}

    public Pair(Object first, Object second) {
        this.first = first;
        this.second = second;
    }

    public Object getFirst() { return first; }
    public Object getSecond() { return second; }

    public void setFirst(Object newValue) { first = newValue; }
    public void setSecond(Object newValue) { second = newValue; }

    private Object first;
    private Object second;
}

限定切換與性能

對於諸如：多限定的泛型類/泛型方法，會產生切換限定的概念, 採用第一個類型進行擦除，代碼必要時會插入強類型轉換來切換限定，所以為了提高效率（減少強制轉換），應該將 tagging 介面放在末尾，主要看哪個使用的多。

2. 泛型代碼塊翻譯

使用端使用具體的泛型類，這時候編譯器實際上是通過添加強制轉換代碼來完成的。

e.g.

Pair<Employee> buddies = ...;
Employee buddy = buddies.getFirst();

// 會被翻譯成兩條指定：
Object obj = buddies.getFirst();
Employee buddy = (Employee) obj;

泛型與多態的衝突與解決

問題1: 類型擦除與多態衝突

假如：

public class DateInterval extends Pair<Date> {
    
    @Override
    public void setSecond(Date second) {
        if (second.compareTo(getFirst()) >= 0) {
            super.setSecond(second);
        }
    }
    
}

DateInterval 會被 erase 為：

public class DateInterval extends Pair {
    
    @Override
    public void setSecond(Date second) {
        ... ...
    }
    ... ... 
}

這時候 DateInterval 就會有兩個 setSecond 方法，一個是從 Pair 繼承而來的方法，一個是 @Override 的 setSecond 方法。

那麼問題來了，多態不是失效啦麽？？@Override應該會導致編譯出錯啊(@Override會執行編譯檢查)？那麼 Java 編譯器是如何解決的呢？？

分析：

➜  javap -private DateInterval
Compiled from "DateInterval.java"
public class corejava.generic.DateInterval extends corejava.generic.Pair{
    public corejava.generic.DateInterval();
    public void setSecond(java.util.Date);
    public void setSecond(java.lang.Object); // 註: bridge method.
}

其實 Java 編譯器會為 DateInterval 類生成一個 bridge method.
這個 bridge method 大致實現是：

public void setSecond(java.lang.Object) { 
    setSecond((Date) second);
}

這樣就保證了 Java 多態語義，其實 @Override 的是 setSecond(Object).

問題2: 返回值衝突與解決

如果返回值出現衝突
e.g.

public class DateInterval extends Pair<Date> {
    ... 
    @Override
    public Date getSecond() {
        return (Date)super.getSecond().clone();
    }
}

分析:

➜  generic  javap -private DateInterval 
Compiled from "DateInterval.java"     
public class corejava.generic.DateInterval extends corejava.generic.Pair{
    public corejava.generic.DateInterval();
    public java.util.Date getSecond();
    public java.lang.Object getSecond();  // 註: bridge method
}

一個驚人的發現: 竟然有兩個方法名和參數完全一樣的方法，你沒看錯，真的有兩個，你需要知道的是：JVM 能夠正確處理調用哪個方法(其實就是調用 bridge method, bridge method 再調用協變方法).

Java SE5.0 中增加了一個額外的特性: 協變。也是通過 bridge method 實現的。

小總結

JVM 中沒有泛型，只有普通類和普通方法.
所有的類型參數都用它們的限定類型替換（erase）.
bridge method 用來解決泛型和多態的衝突.
為保持類型安全性，編譯器必要時插入強制類型轉換.